Μια μπαταρία ιόντων λιθίου ή μπαταρία ιόντων λιθίου (συντομογραφία LIB) είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται συνήθως για φορητά ηλεκτρονικά και ηλεκτρικά οχήματα και αυξάνονται σε δημοτικότητα για στρατιωτικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές.Ένα πρωτότυπο μπαταρία ιόντων λιθίου αναπτύχθηκε από τον Akira Yoshino το 1985, με βάση παλαιότερη έρευνα των John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami και Koichi Mizushima κατά τη δεκαετία 1970-1980, και στη συνέχεια αναπτύχθηκε μια εμπορική μπαταρία Li-ion από έναν Η ομάδα Sony και Asahi Kasei με επικεφαλής τον Yoshio Nishi το 1991. Το 2019, το Νόμπελ Χημείας δόθηκε στους Yoshino, Goodenough και Whittingham «για την ανάπτυξη μπαταριών ιόντων λιθίου».

Στις μπαταρίες, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο μέσω ενός ηλεκτρολύτη στο θετικό ηλεκτρόδιο κατά την εκφόρτιση και πίσω κατά τη φόρτιση.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν μια παρεμβαλλόμενη ένωση λιθίου ως υλικό στο θετικό ηλεκτρόδιο και συνήθως γραφίτη στο αρνητικό ηλεκτρόδιο.Οι μπαταρίες έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, χωρίς αποτέλεσμα μνήμης (εκτός από τις κυψέλες LFP) και χαμηλή αυτοεκφόρτιση.Ωστόσο, μπορεί να αποτελούν κίνδυνο για την ασφάλεια, καθώς περιέχουν εύφλεκτους ηλεκτρολύτες και εάν καταστραφούν ή φορτιστούν εσφαλμένα μπορεί να προκαλέσουν εκρήξεις και πυρκαγιές.Η Samsung αναγκάστηκε να ανακαλέσει τηλέφωνα Galaxy Note 7 μετά από πυρκαγιές ιόντων λιθίου και υπήρξαν πολλά περιστατικά που αφορούσαν μπαταρίες στα Boeing 787.

Τα χαρακτηριστικά χημείας, απόδοσης, κόστους και ασφάλειας διαφέρουν μεταξύ των τύπων LIB.Τα ηλεκτρονικά χειρός χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον μπαταρίες πολυμερούς λιθίου (με ένα πολυμερικό τζελ ως ηλεκτρολύτη) με οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου (LiCoO2) ως υλικό καθόδου, το οποίο προσφέρει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, αλλά παρουσιάζει κινδύνους για την ασφάλεια, ειδικά όταν καταστραφεί.Το φωσφορικό λίθιο σιδήρου (LiFePO4), το οξείδιο του μαγγανίου λιθίου (LiMn2O4, Li2MnO3 ή LMO) και το οξείδιο του κοβαλτίου μαγγανίου λιθίου νικελίου (LiNiMnCoO2 ή NMC) προσφέρουν χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα αλλά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και μικρότερη πιθανότητα πυρκαγιάς ή έκρηξης.Τέτοιες μπαταρίες χρησιμοποιούνται ευρέως για ηλεκτρικά εργαλεία, ιατρικό εξοπλισμό και άλλους ρόλους.Το NMC και τα παράγωγά του χρησιμοποιούνται ευρέως στα ηλεκτρικά οχήματα.

Οι τομείς έρευνας για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, την παράταση της διάρκειας ζωής, την αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας, τη βελτίωση της ασφάλειας, τη μείωση του κόστους και την αύξηση της ταχύτητας φόρτισης.Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη στον τομέα των μη εύφλεκτων ηλεκτρολυτών ως οδός για αυξημένη ασφάλεια με βάση την ευφλεκτότητα και την πτητικότητα των οργανικών διαλυτών που χρησιμοποιούνται στον τυπικό ηλεκτρολύτη.Οι στρατηγικές περιλαμβάνουν υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, κεραμικούς στερεούς ηλεκτρολύτες, ηλεκτρολύτες πολυμερών, ιοντικά υγρά και βαριά φθοριούχα συστήματα.

Μπαταρία έναντι κυψέλης

Ένα στοιχείο είναι μια βασική ηλεκτροχημική μονάδα που περιέχει τα ηλεκτρόδια, τον διαχωριστή και τον ηλεκτρολύτη.

Μια μπαταρία ή πακέτο μπαταρίας είναι μια συλλογή κυψελών ή συγκροτημάτων κυψελών, με περίβλημα, ηλεκτρικές συνδέσεις και πιθανώς ηλεκτρονικά για έλεγχο και προστασία.

Ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου
Για επαναφορτιζόμενες κυψέλες, ο όρος άνοδος (ή αρνητικό ηλεκτρόδιο) δηλώνει το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωση κατά τη διάρκεια του κύκλου εκφόρτισης.το άλλο ηλεκτρόδιο είναι η κάθοδος (ή θετικό ηλεκτρόδιο).Κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης, το θετικό ηλεκτρόδιο γίνεται η άνοδος και το αρνητικό ηλεκτρόδιο γίνεται η κάθοδος.Για τα περισσότερα κύτταρα ιόντων λιθίου, το ηλεκτρόδιο οξειδίου του λιθίου είναι το θετικό ηλεκτρόδιο.για τα κύτταρα τιτανικού ιόντων λιθίου (LTO), το ηλεκτρόδιο οξειδίου του λιθίου είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Ιστορία

Ιστορικό

Μπαταρία ιόντων λιθίου Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Γερμανία
Οι μπαταρίες λιθίου προτάθηκαν από τον Βρετανό χημικό και συν-παραλήπτη του βραβείου Νόμπελ χημείας 2019 M. Stanley Whittingham, τώρα στο Πανεπιστήμιο Binghamton, ενώ εργαζόταν για την Exxon τη δεκαετία του 1970.Ο Whittingham χρησιμοποίησε θειούχο τιτάνιο (IV) και μέταλλο λιθίου ως ηλεκτρόδια.Ωστόσο, αυτή η επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου δεν θα μπορούσε ποτέ να γίνει πρακτική.Το δισουλφίδιο του τιτανίου ήταν μια κακή επιλογή, καθώς πρέπει να συντεθεί υπό συνθήκες πλήρως σφραγισμένες, καθώς ήταν επίσης αρκετά ακριβό (~ 1.000 $ ανά κιλό για πρώτη ύλη δισουλφιδίου τιτανίου τη δεκαετία του 1970).Όταν εκτίθεται στον αέρα, το δισουλφίδιο του τιτανίου αντιδρά για να σχηματίσει ενώσεις υδρόθειου, οι οποίες έχουν δυσάρεστη οσμή και είναι τοξικές για τα περισσότερα ζώα.Για αυτόν και άλλους λόγους, η Exxon διέκοψε την ανάπτυξη της μπαταρίας δισουλφιδίου λιθίου-τιτανίου της Whittingham.[28]Οι μπαταρίες με μεταλλικά ηλεκτρόδια λιθίου παρουσίασαν προβλήματα ασφάλειας, καθώς το μέταλλο λιθίου αντιδρά με το νερό, απελευθερώνοντας εύφλεκτο αέριο υδρογόνο.Κατά συνέπεια, η έρευνα προχώρησε στην ανάπτυξη μπαταριών στις οποίες, αντί για μεταλλικό λίθιο, υπάρχουν μόνο ενώσεις λιθίου, ικανές να δέχονται και να απελευθερώνουν ιόντα λιθίου.

Η αναστρέψιμη παρεμβολή στον γραφίτη και η παρεμβολή σε καθοδικά οξείδια ανακαλύφθηκε κατά την περίοδο 1974–76 από τον JO Besenhard στο TU Munich.Ο Besenhard πρότεινε την εφαρμογή του σε κύτταρα λιθίου.Η αποσύνθεση ηλεκτρολυτών και η συν-παρέμβαση του διαλύτη σε γραφίτη ήταν σοβαρά μειονεκτήματα για τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Ανάπτυξη

1973 - Ο Adam Heller πρότεινε τη μπαταρία θειονυλοχλωριδίου λιθίου, που εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε εμφυτευμένες ιατρικές συσκευές και σε αμυντικά συστήματα όπου απαιτείται διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 20 χρόνια, υψηλή ενεργειακή πυκνότητα ή/και ανοχή σε ακραίες θερμοκρασίες λειτουργίας.
1977 - Ο Samar Basu έδειξε ηλεκτροχημική παρεμβολή λιθίου στον γραφίτη στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια.Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη ενός λειτουργικού ηλεκτροδίου γραφίτη με παρεμβολή λιθίου στα εργαστήρια Bell (LiC6) για να παρέχει μια εναλλακτική λύση στη μπαταρία ηλεκτροδίων μετάλλου λιθίου.
1979 – Εργαζόμενοι σε ξεχωριστές ομάδες, οι Ned A. Godshall et al. και, λίγο αργότερα, ο John B. Goodenough (Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) και ο Koichi Mizushima (Πανεπιστήμιο του Τόκιο), παρουσίασαν μια επαναφορτιζόμενη κυψέλη λιθίου με τάση στην περιοχή 4 V χρησιμοποιώντας λίθιο διοξείδιο του κοβαλτίου (LiCoO2) ως θετικό ηλεκτρόδιο και μέταλλο λιθίου ως αρνητικό ηλεκτρόδιο.Αυτή η καινοτομία παρείχε το θετικό ηλεκτρόδιο υλικό που επέτρεψε τις πρώτες εμπορικές μπαταρίες λιθίου.Το LiCoO2 είναι ένα σταθερό υλικό θετικού ηλεκτροδίου που δρα ως δότης ιόντων λιθίου, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου εκτός από το μέταλλο λιθίου.Επιτρέποντας τη χρήση σταθερών και εύχρηστων υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων, το LiCoO2 επέτρεψε τα νέα συστήματα επαναφορτιζόμενων μπαταριών.Godshall et al.προσδιόρισε περαιτέρω την παρόμοια τιμή των τριμερών ενώσεων οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης λιθίου όπως τα υλικά του σπινελίου LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 και LiFe5O4 (και αργότερα υλικά καθόδου λιθίου-οξειδίου του χαλκού και λιθίου-νικελίου885)
1980 - Ο Rachid Yazami έδειξε την αναστρέψιμη ηλεκτροχημική παρεμβολή του λιθίου στον γραφίτη και εφηύρε το ηλεκτρόδιο γραφίτη λιθίου (άνοδος).Οι οργανικοί ηλεκτρολύτες που ήταν διαθέσιμοι εκείνη τη στιγμή θα αποσυντεθούν κατά τη φόρτιση με ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο γραφίτη.Ο Yazami χρησιμοποίησε έναν στερεό ηλεκτρολύτη για να αποδείξει ότι το λίθιο μπορούσε να παρεμβληθεί αναστρέψιμα στον γραφίτη μέσω ενός ηλεκτροχημικού μηχανισμού.Από το 2011, το ηλεκτρόδιο γραφίτη του Yazami ήταν το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ηλεκτρόδιο στις εμπορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Το αρνητικό ηλεκτρόδιο έχει τις ρίζες του στο PAS (πολυκενικό ημιαγώγιμο υλικό) που ανακαλύφθηκε από τον Tokio Yamabe και αργότερα από τον Shjzukuni Yata στις αρχές της δεκαετίας του 1980.Ο σπόρος αυτής της τεχνολογίας ήταν η ανακάλυψη αγώγιμων πολυμερών από τον καθηγητή Hideki Shirakawa και την ομάδα του, και θα μπορούσε επίσης να θεωρηθεί ότι ξεκίνησε από την μπαταρία ιόντων λιθίου πολυακετυλενίου που αναπτύχθηκε από τους Alan MacDiarmid και Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.έλαβαν το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ΗΠΑ 4.340.652 για τη χρήση του LiCoO2 ως καθόδου σε μπαταρίες λιθίου, με βάση το Ph.D του Πανεπιστημίου Stanford του Godshall.διατριβή και δημοσιεύσεις 1979.
1983 – Ο Michael M. Thackeray, ο Peter Bruce, ο William David και ο John Goodenough ανέπτυξαν ένα σπινέλιο μαγγανίου ως εμπορικά σχετικό φορτισμένο υλικό καθόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου.
1985 - Ο Akira Yoshino συναρμολόγησε ένα πρωτότυπο κύτταρο χρησιμοποιώντας ανθρακούχο υλικό στο οποίο μπορούσαν να εισαχθούν ιόντα λιθίου ως ένα ηλεκτρόδιο και οξείδιο κοβαλτίου λιθίου (LiCoO2) ως το άλλο.Αυτό βελτίωσε δραματικά την ασφάλεια.Το LiCoO2 επέτρεψε την παραγωγή σε βιομηχανική κλίμακα και επέτρεψε την εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου.
1989 – Οι Arumugam Manthiram και John B. Goodenough ανακάλυψαν την κατηγορία των καθόδων πολυανιόντων.Έδειξαν ότι τα θετικά ηλεκτρόδια που περιέχουν πολυανιόντα, π.χ. θειικά, παράγουν υψηλότερες τάσεις από τα οξείδια λόγω της επαγωγικής επίδρασης του πολυανιόντος.Αυτή η κατηγορία πολυανιόντων περιέχει υλικά όπως ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου.

< συνεχίζεται…>